JP2008022567A - スペクトラム拡散通信システムに用いるチャネルの多様性を達成するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペクトラム拡散通信システムに用いるチャネルの多様性を達成するための方法および装置に関する。
【解決手段】ＣＤＭＡ環境で用いる４ｎ×４ｎ直交ハダマードスペクトラム 拡散符号を用いて通信信号を復調するための方法および装置を開示する。様々なマルチメディアアプリケーションに対する追加のチャネル柔軟性を得ると共に、チャネルの数と帯域幅の関係についての柔軟性を向上させるために、２の巾乗でない長さを持つ直交拡散符号が用いられる。４の倍数（４ｎ）に等しい長さのハダマード符号が用いられ、良好な相互相関特性を示し、柔軟なＣＤＭＡシステムの設計を実現するために非常に有効である。送信機は、送信されるべきＮ個のデータ流（Ｎは、２の巾乗に等しい長さでない）のおのおのを４ｎなる長さの符号語Ｎｉを用いて符号化する。受信機側では、受信された信号は適当な符号語ＮｉおよびＰＮ拡散系列の特性に整合されたフィルタに通される。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルラおよび他の無線通信システム、より詳細には、符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）（ＣＯＤＥ ＤＩＶＩＳＩＯＮ ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＡＣＣＥＳＳ）方式を用いる通信システムに用いるある与えられた帯域幅にてより多くのチャネルをサポートするための方法および装置に関する。

多数のシステムユーザが互いに通信することを可能にするために、多くのデジタル無線通信システムにおいて、符号分割多元アクセス（ＣＤＭＡ）方式が採用されている。ＣＤＭＡ方式では、複数の情報信号が同一のチャネル上に伝送され、各ユーザのサブチャネルの差別化（識別）は、そのチャネルを一意の拡散符号にて符号化することにより行なわれる。多くの通信システムは、遠隔通信産業協会（ＴＩＡ）Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎにおいて採択されているＩＳ−９５標準に従うＣＤＭＡ方式を採用する。ＩＳ−９５標準の下では、通信システムは、基地局あるいはセルサイトから移動体受信機に向う順方向リンク上の同一チャネル干渉を実質的に除去し、エネルギー対雑音密度比（Ｅ_ｂ／Ｎ_ｏ）を改善するために、情報信号を２の巾乗（２^ｎ）に等しい長さを持つウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）直交関数系列を用いて変調する。IS-95標準のより詳細な説明については、“Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｔａｔｉｏｎ−Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ Ｄｕａｌ−Ｍｏｄｅ Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｓｙｓｔｅｍ”，Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ｄｏｃ．Ｎｏ．ＴＩＡ／ＥＩＡ／ＩＳ−９５（１９９３）においてなされているために、これを参照されたい。

２の巾乗に等しい長さを持つウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）直交関数系列は、優れた相互相関特性を示し、伝送された情報の検出を最適化する（各符号語は、自身によって変調されない限り零になる）。ただし、符号の長さについてのこの制約のために、ただちに、ある与えられた帯域幅にてサポートすることができるチャネルの数が制限される。“２の巾乗”の長さのウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）符号は、チャネルの数を利用可能な帯域幅に合わせることができる多くの用途に対しては有効であるが、もし、仮に、（この制約が解消され）チャネルの数についてさらなる柔軟性が達成できれば、ＣＤＭＡ網の効率および効用が著しく増大することを期待できる。

より具体的には、各ウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）符号は２の巾乗に等しい長さを持つことを要求されるために、サポートすることができるチャネルの数と帯域幅の組合せには制約があり、網の効率もこれによって制限される。例えば、ブロードキャストシステムが現在のＣＤＭＡ方式を用いて７２チャネルのオーディオ情報を送信する場合、１２８なる長さを持つＷａｌｓｈ符号を用いることを要求される。各チャネルが９６キロバイト／秒（Ｋｂｐｓ）のオーディオ情報を含むものと想定すると、要求されるシステム帯域幅は、１２．２９メガヘルツ（ＭＨｚ）（９６Ｋｂｐｓ×１２８チャネル）となり、帯域幅オーバヘッドは、５．３８メガヘルツ（ＭＨｚ）（９６Ｋｂｓｐ×（１２８−７２）チャネル）となる。このような理由から、２の巾乗に等しい長さを持つ直交拡散符号を要求しないＣＤＭＡ伝送システムに対する必要性が存在する。さらに、ある与えられた帯域幅にて、より多くの数のチャネルを収容（サポート）することができるＣＤＭＡ伝送システムに対する必要性も存在する。

本発明は、一般的には、ＣＤＭＡ環境で用いる４ｎ×４ｎ直交ハダマード（Ｈａｄａｍａｒｄ）スペクトラム拡散符号を用いて通信信号を復調するための方法および装置を開示する。本発明は、従来のＣＤＭＡスペクトラム拡散変調方式を、様々なマルチメディアアプリケーションに対する追加のチャネル柔軟性が得られると共に、チャネルの数と帯域幅の関係についての柔軟性が向上するように、２の巾乗ではない長さを持つ直交拡散符号を用いることで改善する。Ｎ＝０（ｍｏｄ ４）であるＮ×Ｎ直交ハダマード（Ｈａｄａｍａｒｄ）行列が存在するが、４ｎ×４ｎハダマード（Ｈａｄａｍａｒｄ）行列を用いた場合、ある与えられた帯域幅にてより多くのユーザを収容（サポート）することができる。

本発明においては、４の倍数（４ｎ）に等しい長さのハダマード（Ｈａｄａｍａｒｄ）符号が用いられるが、これは、良好な相互相関特性を示し、柔軟なＣＤＭＡシステムの設計を実現するために非常に有効である。開示される送信機は、送信されるべきＮ個のデータ流（ここで、Ｎは、２の巾乗に等しい長さではない）のおのおのを４ｎなる長さの符号語Ｎ_ｉを用いて符号化する。ＣＤＭＡシステムにおける順方向リンクは、同期リンクであり、全てのユーザ信号が同時に到着するが、受信された信号は、適当な符号語Ｎ_ｉおよびＰＮ拡散系列の特性に整合された受信機のフィルタに通される。典型的には、各エンドユーザは、ユーザが受信することを希望するチャネルに対応する符号語Ｎ_ｉを用いる受信機を所持する。ｉ番目のユーザに対する受信機は、自身のＰＮ直交符号系列をチャネル伝送遅延に起因する適当な遅延（ラグ）に同期する。
本発明のより完全な理解、並びに、本発明の様々な特徴および長所が、以下の詳細な説明および図面を参照することで得られるものである。

本発明は、直交スペクトラム拡散符号を用いるＣＤＭＡ環境において用いる通信信号を変調するための方法および装置に関する。後に詳細に説明するように、従来の直交符号を用いるＣＤＭＡスペクトラム拡散変調方式では、２の巾乗（２^ｎ）に等しい長さを持つ拡散符号が必要とされる。本発明は、従来のＣＤＭＡスペクトラム拡散方式を、２の巾乗には等しくない長さを持つ直交拡散符号を用いるように改善し、様々なマルチメディアアプリケーションに対する追加のチャネル多様性が得られるようにする。より具体的には、本発明に従って４ｎ×４ｎハダマード行列を用いることで、ある与えられた帯域幅にて、より多くのユーザを収容（サポート）することが可能になる。Ｎ＝０（ＭＯＤ ４）であるＮ×Ｎ直交ハダマード行列が存在するが、本発明は、４の倍数（４Ｎ）に等しい長さのハダマード符号を用いる。

このように、本発明は、ＣＤＭＡ通信システムの設計におけるより大きな柔軟性を提供する。上述のように、２の巾乗、例えば、３２、６４、あるいは１２８などに等しい長さを持つウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）符号を用いることが要求される場合、ある帯域幅を共有することができるユーザの数は大きく制限される。本発明は、４ｎなる長さの符号を用いることで、チャネルの数と帯域幅の関係に関する柔軟性を大きく増加させる。４ｎなる長さを持つハダマード符号は、非常に良好な相互相関特性を示し、このため、これは、ＣＤＭＡ（符号分割多元アクセス）システムの設計を柔軟なものにするのに非常に有効であることが発見された。

上述のように、しばしば同一の搬送波周波数上に伝送される複数の情報信号を一意の直交スペクトラム拡散符号を用いて差別化することが必要となる。これは、典型的には、伝送されるべき各ビットを、ｎ個の“チップ（ｃｈｉｐ）”、すなわち“信号要素（ｓｉｇｎａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）から成る所定の符号語（コードワード）、すなわちパターンを用いて符号化（エンコード）することで達成される。ウォルシュ符号などの様々な直交スペクトラム拡散符号が知られているが、これらは、伝送された情報の検出を最適化するユニークな特性を備える。例えば、ＣＤＭＡ網に対するＩＳ−９５標準の下では、各々が６４個のチップから成る６４個の異なるＷａｌｓｈ符号語ｗ_０〜ｗ_６３を用い、これによって同一の搬送波周波数上に６４個の異なる情報信号、すなわちチャネルを伝送できるようにされる。通常は、パイロットチャネル、同期チャネル、ページングチャネルなどの幾つかのチャネルが管理用に予約されるために、ユーザ情報を伝送するために用いることができるチャネルは、これら６４個の利用可能なチャネルより少なくなる。

図１は、本発明による可変数のユーザ流（あるいはチャネル）を提供することができるＣＤＭＡ送信機システム１００のブロック図を示す。図１に示すように、データを、ＣＤＭＡシステムの下り部分を用いて、一つあるいは複数の情報源、例えば、情報源１０１〜１０３から複数のエンドユーザに伝送するために、送信機１００は、送信されるべきＮ個のデータ流（Ｎは、２の巾乗ではない）のおのおのを、４ｎなる長さを持つ符号語Ｎ_ｉを用いて符号化する。この実施例においては、Ｎ＝７２チャネルとされる。これら４ｎなる長さを持つ符号語の相互相関特性を改善するために、こうして符号化された信号に、ＰＮ拡散段１３０を用いて、ＰＮ系列が乗算される。このＰＮ拡散については、ＰＮ拡散を用いての相互相関特性の改善（ＣＲＯＳＳ ＣＯＲＲＥＬＡＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＰＮ ＳＰＲＥＡＤＩＮＧ）という表題の節においてより詳細に説明する。

こうして符号化された信号は、次に、従来のやり方で、結合および変調された後に、伝送媒体１４０を通じて送信される。伝送媒体１４０は、例えば、無線通信網として実現される。変調器（図示せず）は、例えば、符号語に正弦搬送波を乗じることで、信号周波数を、上方に、搬送波周波数側にシフト（移動）する変調方式を採用する。このようにして、元の信号スペクトラムが合衆国通信コミッション（ＣＦＦ）（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）あるいは他の規制機関によって割り当てられた特定の周波数帯域に移される。

図２は、本発明による可変数のユーザ流（あるいはチャネル）を受信することができるＣＤＭＡ受信機２００のブロック図を示す。ＣＤＭＡシステムにおける順方向リンクは、同期リンクであり、全てのユーザ信号が同時に到着することに注意する。図２に示すように、受信機２００は、送信された信号をアンテナ２１０を用いて受信し、受信された信号の周波数を、復調器（図示せず）にて、下方に、ベースバント側にシフト（移動）し、こうして、この信号を、復調のために、元の形式に戻す。その後、受信された信号は、適当な符号語Ｎ_ｉおよび 拡散系列の特性に整合されているフィルタ２２０に通される。典型的には、各エンドユーザは、ユーザが受信することを希望するチャネルに対応する符号語Ｎ_ｉを用いる受信機２００を所持する。ｉ番目のユーザに対する受信機２００は、その 直交符号系列を、チャネル伝送遅延に起因する適当な遅延（ラグ）に同期することを要求される。時間遅延ｔ_ｊは、送信機１００と受信機２００の間のマルチパスのｊ番目の経路の時間遅延を表す。推定チャネル伝送遅延と実際のチャネル伝送遅延とが等しくない場合は、ｉ番目の符号から捕捉されるエネルギーは減少し、干渉は増加する。良好なエネルギーの捕捉と良好な干渉の除去を達成する観点からは、符号セットの相互相関特性を、後に説明するように、非零遅延（ｎｏｎ−ｚｅｒｏ ｌａｇｓ）において評価する必要がある。従来の技術によるＣＤＭＡ通信システムについては、合衆国特許第４，９０１，３０７号において詳細に述べられているために、これを参照されたい。

相互相関特性
ＣＤＭＡ伝送用の直交符号の評価についての主要な特性は相互相関特性である。本発明において用いられる符号は、設計から、直交符号である。換言すれば、零番目の遅延（ｚｅｒｏ−ｔｈ ｌａｇ）においては、各符号は、自身と相関されたとき、最も多量のエネルギーを捕捉し、他の符号からは、全くエネルギーを捕捉しない。数学的には、これは、以下のように表される：

ここで、Ｈ_ｉは、直交セットのｉ番目の番号を表す。

上述のように、本発明は、ある与えられた帯域幅にてより多くのユーザがサポートできるように、４ｎ×４ｎハダマード行列、すなわち４の倍数（４ｎ）の長さを持つハダマード符号を用いる。これら符号が有効であるためには、これらが良好な相互相関特性を示すことを要求される。相互相関特性は、４ｎ個のベクトルのおのおのの、１単位の時間だけシフトされた他の全ての４ｎ個のベクトルとの、内積を観察することで評価される。定義から、４ｎ個の符号の相互相関特性は、図３に示すように、遅延零（時間シフト無し）においては零であり、零番目の遅延（ｚｅｒｏ−ｔｈ ｌａｇ）における自己および相互相関は完全な直交性を示す。

ハダマード ｉ＝Ｈ_ｉと１単位の時間だけシフトされたハダマード ｊ＝Ｈ_ｉとの間の、遅延が存在する状況での円相関は以下によって与えられる：

図４および図５は、符号が１単位の時間だけシフトされたときの相関を、それぞれ、長さ６４のウォルシュ符号と、長さ９６のハダマード（４ｎ）符号について示す。図からわかるように、長さ６４のウォルシュ符号と、長さ９６のハダマード（４ｎ）符号は、両方とも、Ｎなるオーダの強い相互相関値を示す。ただし、長さ９６のハダマード（４ｎ）符号は、より多数の非対角ピークを示し、これは、例えば、符号の時間的な不整合に起因して、他のユーザ信号からのより多くの干渉が存在することを示唆する。さらに、他のユーザから捕捉される干渉は、ＩＱ ＰＮ拡散、並びに用いられる符号語に依存することに注意する。これらの理由から、ＰＮ符号の効果についても評価された。

ＰＮ拡散を用いての相互相関特性の改善
この評価の目的では、ＩＳ−９５標準の直交符号である以下のようなＰＮ符号が用いられた：

このＰＮ系列の自己相関関数が図６に示される。より詳細には、図６は、最大長のフィードバックシフトレジスタ系列の典型的な自己相関関数を示す。ここで用いられた一例としてのＰＮ系列は、２^１５−１なる長さを持つ。次に、ハダマード行列に、要素毎に、上に与えられた線形合同等式に従って展開された適当な長さを持つＰＮ系列が乗算された。

図７および図８は、拡散符号とＰＮ系列が合わせて用いられ、１単位の時間だけシフトされたときの、自己および相互相関を、それぞれ、長さ６４のＷａｌｓｈ符号と、長さ９６のハダマード（４ｎ）符号について示す。図からわかるように、ＰＮ拡散を合わせて用いた場合は、長さ６４のウォルシュ符号と、長さ９６のハダマード（４ｎ）符号の性能はほぼ等しくなる。ノイズは、他の符号に由来する。

以上、本発明について説明してきたが、説明された様々な実施例およびバリエーションは、単に、本発明の原理を解説するためのものであり、当業者においては様々な修正を実施することができると思われるが、これらも本発明の範囲および精神から逸脱するものではない。

本発明による可変数のチャネルを提供することができるＣＤＭＡ送信機システムを示すブロック図である。 本発明による可変数のチャネルを受信することができるＣＤＭＡ受信機のブロック図である。 遅延零における（時間シフトが存在しない場合の）４ｎ符号の相互相関特性を示す図である。 符号が１単位の時間だけシフトされたときの相関を、長さ６４のウォルシュ符号について示す図である。 符号が１単位の時間だけシフトされたときの相関を、長さ９６のハダマード（４ｎ）符号について示す図である。 図１と図２の伝送システムにおいて用いられるＰＮ系列の自己相関関数を示す図である。 拡散符号とＰＮ系列が合わせて用いられ、１単位の時間だけシフトされたときの自己および相互相関を、長さ６４のウォルシュ符号について示す図である。 拡散符号とＰＮ系列が合わせて用いられ、１単位の時間だけシフトされたときの自己および相互相関を、長さ９６のハダマード（４ｎ）符号について示す図である。

符号の説明

１００ 送信機
１０１〜１０３ 情報源
１３０ 拡散段
１４０ 伝送媒体
２００ 受信機
２１０ アンテナ
２２０ フィルタ

Claims (22)

1. 通信システムに用いるスペクトラム拡散信号を送信するための方法であって、
   データ信号を、前記通信システムにより維持されるチャンネルの範囲内での２の整数乗でない少なくとも１つの４の倍数を含むグループから選択される長さを持つ直交関数の系列にて符号化することで拡散信号を形成するステップと、
   前記拡散信号の周波数を搬送波周波数に調節するステップと、を含むことを特徴とする方法。
2. さらに、前記拡散信号をＰＮ系列にて変調するステップを含むことを特徴とする請求項１の方法。
3. 前記直交関数系列が、４ｎの長さを持つハダマード符号であることを特徴とする請求項１の方法。
4. 前記符号化ステップが最高４ｎのデータ信号まで遂行されることを特徴とする請求項３の方法。
5. データ信号を送信するためのスペクトラム拡散通信システムであって、
   データ信号を、前記スペクトラム拡散通信システムにより維持されるチャンネルの範囲内での２の整数乗でない少なくとも１つの４の倍数を含むグループから選択される長さを持つ、少なくとも直交関数の系列と結合して拡散信号を形成するための直交関数符号化器と、
   前記拡散信号の周波数を搬送波周波数に調節するための手段と、を備えることを特徴とするシステム。
6. さらに、前記拡散信号をＰＮ系列にて変調するための符号化器を備えることを特徴とする請求項５のシステム。
7. 前記直交関数系列が４ｎの長さを持つハダマード符号であることを特徴とする請求項５のシステム。
8. 前記符号化器が４ｎのデータ信号まで処理することを特徴とする請求項７のシステム。
9. 通信システムに用いるスペクトラム拡散信号を受信するための方法であって、
   受信されたスペクトラム拡散信号を、前記通信システムにより維持されるチャンネルの範囲内での２の整数乗でない少なくとも１つの４の倍数を含むグループから選択される長さを持つ、直交関数の系列にて復号化することでデジタル信号を形成するステップと、
   前記デジタル信号内のデータ信号を検出するステップと、を含むことを特徴とする方法。
10. 前記直交関数系列が４ｎの長さを持つハダマード符号であることを特徴とする請求項９の方法。
11. さらに、前記拡散信号をＰＮ系列を用いて復調するステップを含むことを特徴とする請求項９の方法。
12. さらに、前記ＰＮ系列をチャネル伝送遅延に起因する適当な遅延に同期するステップを含むことを特徴とする請求項１１の方法。
13. さらに、前記復号化をチャネル伝送遅延に起因する適当な遅延に同期するステップを含むことを特徴とする請求項９の方法。
14. 前記復号化ステップが最高４ｎのデータ信号まで遂行されることを特徴とする請求項１０の方法。
15. 通信システムに用いるスペクトラム拡散信号を受信するための受信機であって、
    受信されたスペクトラム拡散信号を、前記通信システムにより維持されるチャンネルの範囲内での２の整数乗でない少なくとも１つの４の倍数を含むグループから選択される長さを持つ直交関数の系列と結合することでデジタル信号を形成するための直交関数復号器と、
    前記デジタル信号内のデータ信号を検出するためのプロセッサと、を備えることを特徴とする受信機。
16. 前記直交関数系列が４ｎの長さを持つハダマード符号であることを特徴とする請求項１５の受信機。
17. さらに、前記拡散信号をＰＮ系列を用いて復調するための復号器を備えることを特徴とする請求項１５の受信機。
18. さらに、前記ＰＮ系列をチャネル伝送遅延に起因する適当な遅延に同期するための手段を備えることを特徴とする請求項１７の受信機。
19. さらに、前記直交関数復号器をチャネル伝送遅延に起因する適当な遅延に同期するための手段を備えることを特徴とする請求項１５の受信機。
20. 前記直交関数復号器が４ｎのデータ信号まで処理することを特徴とする請求項１５の受信機。
21. 通信システムにおいて用いるチャネルの多様性を増加させるための方法であって、
    前記通信システムに対するチャネルの数を識別するステップと、
    データ信号を符号化するために用いる直交関数系列を選択するステップであって、前記直交関数の長さが前記チャネルの個数よりも少なくない４の最小の倍数とされるステップとを含むことを特徴とする方法。
22. 前記直交関数系列が４ｎの長さを持つハダマード符号であることを特徴とする請求項２１の方法。

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